Dai cavi di ricarica ai wearable attenti all’energia - Il futuro dei sistemi flessibili di accumulo dell’energia

Una delle lamentele più comuni tra gli utenti dei dispositivi indossabili è sorprendentemente semplice: l’autonomia della batteria raramente mantiene la promessa di offrire funzioni intelligenti per l’intera giornata.

Che si tratti di un cerotto sanitario intelligente, di un apparecchio acustico con IA, di un fitness tracker, di un anello intelligente, di un dispositivo di monitoraggio medico, di occhiali AR, di pelle elettronica o di un sensore indossabile industriale, gli ingegneri devono bilanciare costantemente tre esigenze in competizione tra loro:

• Prodotti più piccoli e leggeri
• Maggiore autonomia operativa
• Più sensori, connettività wireless ed elaborazione IA

Per i progettisti di prodotto e i produttori di elettronica, le architetture di alimentazione tradizionali sono sempre più difficili da adattare a dispositivi ultrasottili, flessibili e conformabili al corpo. Questa sfida ha accelerato l’interesse verso sistemi flessibili di accumulo dell’energia che integrano raccolta e stoccaggio dell’energia in un’unica piattaforma.

In MOTOMA vediamo regolarmente team di sviluppo alla ricerca di soluzioni di batteria che non solo si adattino a prodotti indossabili compatti, ma supportino anche concetti futuri come elettronica autoalimentata, display flessibili, rilevamento biometrico e monitoraggio continuo della salute.

Perché le soluzioni di alimentazione tradizionali stanno raggiungendo i loro limiti

Oggi la maggior parte dei prodotti indossabili utilizza batterie al litio ricaricabili con capacità da 50mAh a 1000mAh. Le piattaforme di tensione più comuni includono celle ai polimeri di litio da 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V e 3.88V.

Sebbene queste batterie offrano un’eccellente densità energetica, i produttori di dispositivi devono affrontare diverse sfide:

Uno smartwatch può utilizzare una batteria da 150mAh o 300mAh, mentre gli occhiali intelligenti richiedono spesso pacchi batteria da 500mAh a 1000mAh. I dispositivi medici indossabili possono variare da microbatterie da 100mAh a moduli batteria indossabili esterni da 5000mAh, a seconda della durata operativa richiesta.

Il concetto alla base della raccolta e dell’accumulo flessibile dell’energia

Un nuovo approccio che sta emergendo nei laboratori di ricerca e nei programmi avanzati di elettronica di consumo consiste nell’integrare la tecnologia fotovoltaica organica (OPV) con batterie ricaricabili flessibili.

Invece di dipendere esclusivamente da cavi o basi di ricarica, i dispositivi indossabili possono raccogliere continuamente energia dall’ambiente e immagazzinare l’energia in eccesso per utilizzarla in seguito.

L’architettura è generalmente composta da:

• Moduli fotovoltaici organici flessibili
• Circuiti ultrasottili di gestione dell’energia
• Sistemi di batterie ricaricabili flessibili
• Moduli di comunicazione wireless a basso consumo
• Sistemi intelligenti di gestione della batteria

Il risultato è una piattaforma integrata di raccolta e accumulo dell’energia in grado di aumentare l’autonomia riducendo al tempo stesso la frequenza di ricarica.

Tecnologia fotovoltaica organica nei dispositivi indossabili

A differenza dei tradizionali pannelli solari rigidi in silicio, i moduli fotovoltaici organici sono leggeri, flessibili e adatti all’integrazione nei prodotti indossabili.

Gli ingegneri possono integrare materiali OPV in:

• Abbigliamento intelligente
• Fasce fitness
• Cerotti medicali
• Visori AR e VR
• Dispositivi indossabili per la sicurezza industriale
• Dispositivi di pelle elettronica
• Zaini intelligenti e attrezzatura outdoor

In condizioni di illuminazione interna, i moduli OPV possono generare energia supplementare per contribuire ad alimentare sensori a basso consumo, moduli di comunicazione Bluetooth e sistemi di monitoraggio ambientale.

Tecnologie di batterie flessibili per l’elettronica indossabile

La sola raccolta di energia non può garantire un’uscita di potenza stabile. Un componente di accumulo rimane essenziale.

Diverse tecnologie di batteria sono attualmente in fase di valutazione per i sistemi flessibili di accumulo dell’energia.

Per i prodotti commerciali che oggi entrano nella produzione di massa, le batterie ai polimeri di litio personalizzate restano la soluzione più pratica grazie alla loro densità energetica, alla maturità produttiva e alla flessibilità di progettazione.

Parametri delle batterie comunemente utilizzati nei dispositivi indossabili

A seconda dei requisiti del prodotto, l’elettronica indossabile può utilizzare diverse piattaforme di tensione e capacità.

Aspetti di progettazione che gli ingegneri non dovrebbero ignorare

Quando si integrano sistemi flessibili di accumulo dell’energia nell’elettronica indossabile, la capacità della batteria è solo una parte dell’equazione.

I team di ingegneria dovrebbero valutare anche:

• Requisiti del raggio di curvatura
• Vincoli di spessore della batteria
• Intervallo di temperatura operativa
• Efficienza di ricarica
• Requisiti di durata in cicli
• Fabbisogno energetico della comunicazione wireless
• Affidabilità meccanica durante flessioni ripetute
• Requisiti di certificazione di sicurezza

In molti progetti di dispositivi indossabili, una batteria di forma personalizzata offre spesso una maggiore efficienza di sistema rispetto al tentativo di adattare una batteria standard a un alloggiamento irregolare.

Potenziali aree di applicazione

La combinazione di raccolta e accumulo dell’energia si sta espandendo oltre l’elettronica di consumo.

Le applicazioni attuali ed emergenti includono:

• Dispositivi di monitoraggio remoto dei pazienti
• Sistemi di monitoraggio continuo del glucosio
• Dispositivi indossabili per fitness e sport
• Piattaforme AR e occhiali intelligenti
• Tessili elettronici
• Equipaggiamento militare indossabile
• Sistemi di sicurezza per lavoratori industriali
• Cerotti per il monitoraggio ambientale
• Caschi intelligenti e dispositivi di protezione
• Dispositivi di interfaccia uomo-macchina

Cosa significa tutto questo per i produttori

Man mano che l’elettronica indossabile diventa più sottile, intelligente e connessa, l’architettura di alimentazione evolve da un pacco batteria autonomo verso un ecosistema energetico integrato.

È improbabile che il futuro sia alimentato esclusivamente dalla raccolta di energia. La soluzione più pratica combina raccolta flessibile dell’energia, gestione intelligente dell’alimentazione e tecnologia di batterie ricaricabili personalizzate.

Per i produttori OEM e ODM che sviluppano dispositivi indossabili di nuova generazione, scegliere il partner giusto per le batterie già nelle prime fasi di progettazione può semplificare notevolmente l’integrazione del prodotto, la progettazione meccanica, la certificazione di sicurezza e l’aumento della produzione.

Domande frequenti

1. Che cos’è un sistema flessibile di accumulo dell’energia?

Un sistema flessibile di accumulo dell’energia combina batterie pieghevoli e tecnologie di raccolta dell’energia per alimentare dispositivi elettronici indossabili e portatili.

2. I moduli fotovoltaici organici possono sostituire completamente le batterie?

No. I moduli fotovoltaici organici forniscono energia supplementare, mentre le batterie restano necessarie per garantire un’erogazione stabile della potenza e immagazzinare energia.

3. Perché le batterie ai polimeri di litio sono ampiamente utilizzate nei dispositivi indossabili?

Le batterie ai polimeri di litio offrono elevata densità energetica, forme personalizzabili, struttura leggera e compatibilità con progetti elettronici compatti.

4. Quale tensione di batteria viene comunemente utilizzata nei dispositivi indossabili?

Le piattaforme di tensione comuni includono 3.7V, 3.8V, 3.85V, 3.87V e 3.88V. I sistemi indossabili più grandi possono utilizzare pacchi batteria da 7.4V, 11.1V o 14.8V.

5. Qual è l’intervallo di capacità tipico dell’elettronica indossabile?

Le capacità vanno da meno di 50mAh negli anelli intelligenti a oltre 5000mAh nelle apparecchiature indossabili industriali e nei sistemi informatici portatili.

6. Le batterie agli ioni di zinco sono adatte alle applicazioni indossabili?

Le batterie agli ioni di zinco offrono interessanti caratteristiche di sicurezza e flessibilità, rendendole adatte ad alcune applicazioni mediche e indossabili, anche se le batterie ai polimeri di litio dominano attualmente la produzione commerciale.

7. Quali opzioni di personalizzazione sono disponibili per le batterie dei dispositivi indossabili?

I produttori possono personalizzare dimensioni, spessore, tensione, capacità, circuiti di protezione, connettori, lunghezza dei cavi, protocolli di comunicazione e packaging meccanico della batteria in base ai requisiti del prodotto.